电磁辐射与物质的相互作用探究

图2.1是电磁波作用于物体表面后波的传播过程，一部分电磁波被反射，一部分被吸收并在材料的内部进行传播，由于其通过了新的传播介质吸收，根据Beer Lamber定律，I=I₀e^-βz，吸收因子β取决于传播介质、辐射源的波长及强度（见2.2.1节）。电磁波被吸收的方式如下，电磁辐射被描述为图2.2所示的电场矢量和磁场矢量，当在其中通过带有强烈电荷的微小粒子时，该粒子将根据电场E产生的电磁力确定运动方向。

图2.1 相位和强度为E、频率为ω的电磁射线沿z方向传播 作用于气固界面时经历的反射和透射

图2.2 电磁辐射的电场矢量和磁场矢量

假如辐射的频率与粒子的固有振荡频率不相匹配，就不会发生荧光辐射或吸收，但会出现受激振动，由于电场E产生的力比较小，不可能带动原子核的振动。因此我们讨论光子与电子的相互作用，电子或是自由的或是束缚的，光子被电子吸收的过程就是众所周知的逆韧致辐射，由于电子振动，它或在所有的方向产生二次辐射，或被晶格的声子（固体或液体的结合能）所约束，对于后者，声子将引起结构振动，由于分子之间通过一定的结构相连，这种振动将通过结构以正常的传播过程实现传输，我们将结构内的振动称为热振动。热流传导可用Fourier定律描述（热流公式q/A=-kdT/dx），将在第5章详细讨论。如果材料吸收了足够的能量，振动将增强到足以拉长分子的结合键，不再受控于机械强度达到材料熔化的程度，由于分子的强烈振动，在进一步加热的情况下，将导致结合的松动，达到材料汽化的程度，由于存在束缚电子，汽化后只能吸收少量的热辐射，如果排除汽化物质很热的这种情况，电子将出现自由运动，即产生等离子体。

如果自由电子的密度很高，等离子体将吸收大量热辐射，等离子体中电子的密度可表示为下述的Saha公式（2.3）^[5]，该公式假设等离子体中的热处于平衡态，所以标准自由能可通过常规的热动力学方程计算：

式中 N₁——离子密度；

N₀——原子密度；

V₁——离子势能（eV）；

T——绝对温度（K）。(www.xing528.com)

图2.3表明有效吸收的温度范围为10000～30000℃^[6]，图2.4显示的是不同吸收阶段。表明被电子吸收的能量可以是许多光子中的一个或多个，然而也有可能出现极端情况，如Vulcan激光在1PW左右（P代表peta=10¹⁵）工作，大量的光子被同时吸收，将产生X射线，这就是激光加工有别于电子束的最大特点，因此要求用一定的保护措施防止这种危害。

图2.3 温度与电离程度的关系

图2.4 吸收的激光功率与吸收结果示意图

当光子通量非常高时，电场具有足够的能力从原子中带走电子，这就出现放电和相互排斥的现象，由于时间是飞秒量级（10^-15s），这样就几乎没有热传导的可能，与恒星内部十分相似，在材料中就形成了固态等离子体。

通过计算可知，在导体内电子偶然碰撞的平均时间约为10^-13s，也就是说，只有大约1ps（皮秒，10^-12s）的极短脉冲激光才可能在材料内部出现两种非平衡温度——电子温度和原子温度，对非常短的脉冲，非Fourier导体已经假设在其内部形成了压缩波或热波^[7]，这可能与10.2.3.1节中的声音信号或6.18节中的冲击硬化有关。

一般来说，由试验已经表明，光学的影响是线性的，当光与物质作用的时候，其与物质顺从线性的正比关系，因此我们认为物质的反射、折射、散射及吸收是线性的，上述的四个方面发生在相同的频率，在激光加工过程中光频率是不会改变的。然而在1961年密西根大学的Peter Franken和其他人用聚焦的高功率红宝石激光（红光）作用于石英晶体，并产生了混合有传输光线的紫外光，这就出现了非线性光学的新课题。

现在许多重要的光电装置都建立在非线性光学效应的基础上，这些结果包括：Franken光学校正二次谐波发生器（SHG）、Pockel’s光电效应、差分求和频率装置、Kerr光电效应、三次谐波发生器、四波混合、Kerr光学效应、Brillouin激励散射、Raman激励散射、相结合、自聚焦、自相变调制、双光子吸收、电离和辐射。

由于聚焦激光束可产生影响原子电荷的强大电场和磁场，因此开创了一个崭新的物理领域，在几W/m²的正常辐照水平下，电荷与驱动力是一一对应的线性关系，然而在MW/m²的高辐照水平下，电荷与驱动力不再是线性关系，而是驱使过渡状态，电荷表现出一种变化的谐波振动，经过上述作用，有可能实现与光波的频率相混合，这就具有非凡的意义，明显与早期解释的许多光学原理的重叠理论相左，例如Young’s实验。